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差动放大器构成精密电流源的核心

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作者:Neil Zhao, Reem Malik, 和 Wenshuai Liao

许多应用利用精密电流源提供恒定电流,包括工业过程控制、仪器仪表、医疗设备和消费电子产品。例如,过程控制系统利用电流源提供电阻温度检测器(RTD)所需的激励电流;数字万用表利用电流源测量未知电阻、电容和二极管;长距离信息传输广泛使用电流源来驱动4 mA至20 mA电流环路。

精密电流源传统上采用运算放大器、电阻和其它分立器件构建,但存在尺寸、精度和温度漂移等方面的不足。现在,高精度、低功耗、低成本集成 差动放大器1(例如 AD82762)的出现,使得尺寸更小、性能更高的电流源变成现实,如图1所示。反馈缓冲器使用低失调、低偏置电流放大器,例如 AD8538, AD8603, AD8605, AD8628, AD8655, AD8661, AD8663, OP177, 或 OP1177, 具体取决于所需电流范围。

图1. 差动放大器和运算放大器构成精密电流源

 

输出电流可以通过下式计算:

如果Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2, 上式可简化为:

最大输出电流受以下因素限制:运算放大器输入范围、差动放大器输出范围以及差动放大器SENSE引脚电压范围。必须满足下列三个条件:

在运算放大器输入范围内

在SENSE引脚电压范围2×(–Vs) – 0.2 V至2×(+Vs) – 3 V内

在AD8276输出电压范围–Vs + 0.2 V至+Vs – 0.2 V内

SENSE引脚可以耐受几乎为电源两倍的电压,因此第二个限制条件相当宽松。2.5V至36V的宽电源电压范围使得AD8276成为许多应用的理想之选。A级和B级的最大增益误差分别为0.05%和0.02%,因此电流源精度最高可达0.02%。

配置变化

For cost-sensitive applications that can tolerate a little more error, the circuit can be simplified by removing the feedback buffer, as shown in Figure 2.

如果 ,则输出电流为:

对于

图2. 去掉反馈放大器的简化电路

如果所需输出电流小于AD8276的输出能力15 mA,则可去掉升压晶体管,如图3所示。如果低电流和降低精度均能接受,则可采用更为简单的低成本配置,如图4所示。

图3. 针对低电流应用的简化电路

图4. 针对低成本、低电流应用的简化电路

 

图5所示的拓扑结构可以用于高电流、高精度应用,运算放大器输入范围无限制。

图5. 差动放大器和匹配电阻构成精密电流源

输出电流可以通过下式计算:

如果完全匹配,Rg1 = Rg2 = Rf1 = Rf2 = 40 kΩ 且 R1 = R2,则输出电流为:

外部电阻R1和R2应具有超高精度和匹配度,否则输出电流将随负载而变化,由此产生的误差无法通过软件来校正。

外围器件

输入电压VREF可以是DAC输出、基准电压源或传感器输出。如果需要可编程电流源,推荐使用精密14位或16位DAC,如 AD5640,AD5660AD5643RAD5663R等。至于基准电压源,要求更高性能时推荐使用精密基准源ADR42xADR44x;要求低功耗时推荐使用ADR36x;要求低成本时推荐使用AD158xADR504x;要求小尺寸时推荐使用集成运算放大器与基准电压源ADR82x

基准电压源可以连接到AD8276的反相或同相输入端。如果使用同相输入,共模电压为 ,输出电流为 。如果使用反相输入,共模电压为 输出电流为 。使用反相输入时,需要一个缓冲放大器;因此,建议使用同相输入,以简化电路。

晶体管选择

选择升压晶体管时,务必使VC高于电源电压,并使IC高于所需输出电流。推荐使用2N3904、2N4401和2N3391等低成本晶体管。电流较低时,无需使用晶体管。

实验基准结果和分析

使用图1电路测得的输入电压与输出电流的关系如图6所示。AD8276和AD8603采用+5 V电源供电。R1的容差为0.1%。晶体管为2N3904。基准电压以0.01V步进从0.05 V扫描至1.20 V。输入范围受电源和AD8603输入范围的限制。

最大误差为0.87%,平均误差为0.10%。电流检测误差受外部电阻的限制。较高精度的电阻可以产生较高精度的电流源。

图6. 使用差动放大器和反馈放大器的测试结果

结束语

差动放大器AD8276具有低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差、低增益漂移特性以及集成电阻,可以用来实现精确、稳定的电流源。宽电源电压范围(2.5 V至36 V)使其能支持各种各样的负载。节省空间的8引脚MSOP封装和低功耗特性,则使它非常适合电池供电的便携式系统。采用差动放大器实现精密电流源可以缩小PCB面积,简化布局,降低系统成本,提高可靠性。

附录:差动放大器

型号

共模范围(V)

典型带宽(MHz)

CMRR (dB)

增益范围

最小电源电压(V)

最大电源电压(V)

电源电流(mA)

VosTC (μV/°C)

增益TC (ppm/°C)

温度范围

封装

千片订量报价(美元/)

AD8270

–Vs至+Vs

10

98

1.5

+5

+36

2.5

1.5

1

–40至+125

LFCSP

$1.91

AD8271

–Vs–0.4至+Vs+0.4

15

80

1.5

+2.5

+36

2.6

2

2

–40至+85

MSOP

$1.25

AD8273

±40

20

86

1.5

+5

+36

2.5

3

2

–40至+125

SOIC

$1.67

AD8274

±3

10

86

1.5

+5

+36

2.6

3

0.5

–40至+85

MSOP, SOIC

$1.05

AD8275

–13至+24

15

96

0.2

+3.3

+15

2.3

2.5

0.3

–40至+85

MSOP

$1.60

AD8276

2(–Vs)+0.2至2(+Vs)–3

0.55

86

1

+2.5

+36

0.22

2

1

–40至+125

MSOP, SOIC

$1.00

 

作者简介

Neil Zhao (neil.zhao@analog.com)是ADI中国应用支持部门的一名现场应用工程师,工作时间已有一年半。他负责中国市场水平模拟产品的技术支持工作。2008年1月,Neil毕业于北京航空航天大学,并获得通信与信息系统硕士学位。他在《模拟对话》、EDN、《测井技术》、《电子测量技术》杂志上发表过文章。 (返回页首)

Reem Malik (reem.malik@analog.com) 是ADI公司位于美国马萨诸塞州威明顿市的集成放大器产品(IAP)部门的一名应用工程师。她为仪器仪表、工业和医疗领域的客户提供技术支持,主要负责差动放大器和可变增益放大器等产品。Reem于2003年和2008年分别获得伍斯特理工学院电子工程学士和硕士学位。她于2008年6月加入ADI公司。(返回页首)

Wenshuai Liao (wenshuai.liao@analog.com) 是ADI公司位于中国北京的集成放大器产品(IAP)部门的一名营销工程师。Wenshuai获得清华大学光学工程硕士学位之后,曾在大唐电信集团任TD-SCDMA节点B RF工程师三年。他于2002年加入ADI公司。(返回页首)

 

 

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